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CAESAR II Visualización de Análisis Visualización de Análisis Dinámico – Enfoque Cualitativo
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CAESAR II
Visualización de AnálisisVisualización de Análisis Dinámico – Enfoque Cualitativo
Evaluación Modal como Herramienta de Visualización Dinámicade Visualización Dinámica
Introducción Diseño y evaluación analítica versus Introducción – Diseño y evaluación analítica versus sistemas reales.
Concepto – Usando la frecuencia natural más baja del sistema para medir la “probabilidad de fracaso”.p p
Regla – Configurando la frecuencia natural más baja permitida.
Aplicación – Adecuada proyección en CAESAR II.
La mayoría de las nuevas especificaciones de diseño de tuberías no requieren análisis dinámico
El análisis sísmico es la excepción, pero aún así la p , pevaluación estática es adecuada.
Sin embargo, los sistemas operativos pueden sufrir por respuesta dinámicarespuesta dinámica.
Las fuentes típicas de dichas cargas dinámicas incluyen: Armónicas:
Vibración mecánica (conexión de equipos)Vibración por flujoPulsaciónPulsación
Pulsantes:Golpe de arieteDescarga de válvulas de alivio
Carga Aplicada vs. Carga Inducida
Debido a los “tiempos” del sistema y de la carga, la Debido a los tiempos del sistema y de la carga, la respuesta máxima a una carga variable no será igual a la respuesta de la misma magnitud de carga
tátiestática. Llamar a la carga estática la carga aplicada.
U i d id l it d d l Una carga inducida es la magnitud de la carga que produciría la respuesta dinámica máxima equivalente para una carga variable.equ a e e pa a u a ca ga a ab e
La relación entre la carga inducida y la carga aplicada es el factor dinámico de carga o DLF.
Carga Aplicada vs. Carga Inducida
-0.2
0
C A li d
-1
-0.8
-0.6
-0.4Carga
tiempo
Carga Aplicada
-1.8
-1.6
-1.4
-1.2
Máxima respuesta dinámica
Respuesta estática
-20 20 40 60 80 100 120 140
Dado que la deflexión es proporcional a la carga í DLF 1 9aquí: DLF=1.9
Comparando la Respuesta entre : Cargas Pulsantes y ArmónicasCargas Pulsantes y Armónicas
La magnitud de las cargas pulsantes puede ser La magnitud de las cargas pulsantes puede ser grande pero su amplificación dinámica (DLF) está limitada a no más de dos.
Comparando la Respuesta entre : Cargas Pulsantes y ArmónicasCargas Pulsantes y Armónicas
La magnitud de las cargas pulsantes puede ser La magnitud de las cargas pulsantes puede ser grande pero la amplificación dinámica (DLF) es limitada a no más de dos.
Pequeñas cargas cíclicas, sin embargo, pueden producir grandes respuestas dinámicas.
Comparando la Respuesta entre : Cargas Pulsantes y ArmónicasCargas Pulsantes y Armónicas
La magnitud de las cargas pulsantes puede ser La magnitud de las cargas pulsantes puede ser grande pero la amplificación dinámica (DLF) es limitada a no más de dos.
Pequeñas cargas cíclicas, sin embargo, pueden producir grandes respuestas dinámicas.L li i ió d l f t d l í li ( La eliminación de la fuente de las cargas cíclicas (y las cargas pulsantes para ese caso) es útil. Pero…
Atención a la relación ωf/ω limitará la respuesta a Atención a la relación ωf/ωn limitará la respuesta a las cargas cíclicas. Éste es nuestro enfoque:
Reduzca el riesgo de fallas de tuberías controlando frecuencias naturales controlando frecuencias naturales
En muchos casos es cuestión de “suerte” que nuestros sistemas respondan a alguna de las varias fuentes armónicasfuentes armónicas.
Se puede evaluar el riesgo de la respuesta monitoreando las frecuencias naturales del sistema.monitoreando las frecuencias naturales del sistema.
Se puede reducir más el riesgo de falla incrementando las frecuencias naturales del sistema.
El análisis modal de CAESAR II de nuevos diseños puede ser usado para incrementar la confiabilidad del i tsistema.
Calificación de Nuevos Diseños Usando Análisis Modal
El análisis modal calcula las frecuencias naturales y
Usando Análisis Modal
El análisis modal calcula las frecuencias naturales y las formas modales.
La frecuencia natural más baja (LNF) indica la probabilidad de vibración de la tubería.
Criterio de aceptación típico: Mantener LNF > 3 a 5 Hz Basado en experiencia. Este método y criterio de aceptación no está reflejado
en los códigos de tuberías y estándares tradicionalesen los códigos de tuberías y estándares tradicionales.
¿Qué tan precisos podemos ser?¿Qué ta p ec sos pode os se
Citando una presentación de API 618 Quinta Edición*
Inexactitud de los cálculos de frecuencia naturalá i L i i d t lmecánica – La experiencia de campo muestra que la
exactitud de predecir frecuencias naturales mecánicasen sistemas de tuberías no es confiable incluso bajojlas mejores circunstancias. Márgenes de error del±20% se obtienen sólo cuando las condiciones límiteexactas son conocidas y extensas; y el modeladoexactas son conocidas y extensas; y el modeladodetallado del sistema de tuberías y la estructura desoporte es realizado.
* Presentation at the 2004 Gas Machinery Conference entitled: From Understanding the Pulsation & Vibration Control concepts in the New API 618 Fifth Edition – K. Atkins (Engineering Dynamics Inc), A. Pyle (Shell Global Solutions) & J. Tison (Engineering Dynamics Inc.)
¿Qué tan precisos podemos ser?
Citando … Otros elementos que influyen en la exactitud de estos Otros elementos que influyen en la exactitud de estos
modelos son: Incertidumbre de la rigidez (seis grados de libertad) de pinzas,
s jeciones la estr ct ra de soportesujeciones y la estructura de soporte. Dificultad para predecir con exactitud los coeficientes de
fricción.Ef t li l ( j d ió d i d bid l Efectos no lineales (por ej.: reducción de espacios debido a la dilatación térmica)
Incertidumbre del diseño “as built” de tuberías y las di i tdimensiones, pesos, etc..
Dificultad y complejidad del modelado del rack de soporte. Incertidumbre en los efectos de la rigidez del suelo sobre los
pilares de concreto. Sedimentación de los soportes que resulta en la pérdida de
contacto con tuberías.
Criterio de Aceptación del Análisis Modal
El API 618 t b í
Modal
El API 618 para tuberías en compresores no es nuestro único enfoque.
El criterio de aceptación está basado en el El criterio de aceptación está basado en el manejo del riesgo.
DNV RP D101 DNV-RP-D101“Un sistema típico soportado de acuerdo a un buen estándar de soportes de tuberías debe resultar en una frecuencia natural no menor a 4 ó 5 Hz ”
DNV-RP-D101
Prácticas recomendadas por Det Norske Veritas Prácticas recomendadas por Det Norske Veritas Análisis estructural de los sistemas de tuberías 2.2.7.1 Análisis modal
Encontrar las frecuencias naturales del sistema de tuberías es esencial para determinar el tamaño de l f t d di á i (DLF) llos factores de carga dinámicos (DLF) y la separación correcta de los soportes de tubería con el fin de evitar las vibraciones perjudiciales causadas por flujo interno, transitorios de presión y oscilaciones tipo vortex debidas a corrientes de viento o mar que pasan alrededor de la tuberíaviento o mar que pasan alrededor de la tubería.
DNV-RP-D101
2.2.7.1 Análisis Modal 2.2.7.1 Análisis Modal El análisis modal de un modelo estático usualmente
no consume tiempo y debe ser realizado para determinar la frecuencia natural más baja del sistema. Un sistema típico soportado de acuerdo a un buen estándar de soporte de tuberías debe resultar pen una frecuencia natural no menor a 4 ó 5 Hz
DNV-RP-D101
3.12 Cálculos de fatiga 3.12 Cálculos de fatiga 3.12.1 General:
Un análisis modal de todos los sistemas de tuberías debe realizarse y es deseable como una práctica común para mantener la frecuencia natural del sistema arriba de 4Hz y así mitigar lasnatural del sistema arriba de 4Hz y así mitigar las circunstancias en que la fatiga puede ser inducida por vibración de bajas frecuencias. L f i t l i d 4H Las frecuencias naturales por encima de 4Hz pueden ser difíciles de alcanzar para situaciones donde se requieren grandes ciclos de expansión a q g pfin de absorber grandes movimientos.
Guías de EI*
Módulo Técnico T9 – Técnicas Predictivas Módulo Técnico T9 Técnicas Predictivas Especiales VerT9.2: Análisis Estructural por Elementos Finitos
Módulo Técnico T10 – Acciones correctivas para líneas principales Ver T10.3.2.1&2: Ajuste de tuberías La frecuencia de excitación no debería estar dentro
del 20% de las frecuencias naturales del sistemadel 20% de las frecuencias naturales del sistema Calificación de la Probabilidad de Falla (LOF)
basado en la frecuencia fundamental.* Energy Institute’s Guidelines for the Avoidance of Vibration Induced Fatigue Failure in Process Pipework
Arreglo de Soportes de Tuberías g p
T2 – Valoración cuantitativa del LOF para líneas T2 Valoración cuantitativa del LOF para líneas principales
T2.2.3.3 – Determinación del arreglo de soportes Designación del arreglo de soportes para
frecuencias naturales fundamentales típicas (Tabla T2 1)T2-1)
Rígido – 14-16 Hz Semirígido– 7 Hz Semirígido– 7 Hz Medio – 4 Hz Flexible – 1 Hz
El arreglo de soportes flexibles tiene un LOF mayor
API 618 - Quinta Edición
El texto provee una guía para los márgenes de El texto provee una guía para los márgenes de separación de compresores reciprocantes en las industrias de gas, química y de petróleo.
Otra vez, trabajando con la relación ωf/ωnωf está basada en la velocidad del compresorωn es la frecuencia fundamental o la frecuencia
natural mecánica mínima (Minimum MNF) del sistema de tuberíassistema de tuberías
API 618 - Quinta Edición
La frecuencia natural mecánica mínima debe estar La frecuencia natural mecánica mínima debe estar 20% arriba de la segunda armónica de la velocidad.
Illustration and data provided by Beta Machinery Analysis – Application Note 1b: y y ppImplications of the New API 618 (5th Edition) for Packagers, OEMs and End Users.
API 618 – Quinta Edición
El criterio de vibración para este sistema de El criterio de vibración para este sistema de compresores es muy específico y severo y debe incluirse en el diseño del tubería.
No usaremos este criterio de aceptación del 20% de separación desde la segunda armónica para sistemas de tuberías generales.
Criterio de Aceptación del Análisis Modal
Los sistemas de tuberías que producen altos ciclos
Modal
de falla por fatiga típicamente tienen la frecuencia natural calculada (LNF) más baja por debajo de 1Hz1Hz.
Otra vez, la guía publicada sugiere: LNF > 4 Hz El criterio de aceptación de LNF a altas frecuencias El criterio de aceptación de LNF a altas frecuencias
impactará en otros aspectos del diseño, por ejemplo: Respuesta del sistema a esfuerzos térmicos.
Un criterio de LNF alto significará mayores costos.
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Análisis Modal de CAESAR II
Puede ser aplicado a todos los modelos existentes de CAESAR II .
Análisis fáciles y rápidos.
Un buen indicador de diseño robusto.
Un Ejemplo
6 pulgadas de tubería estándar 6 pulgadas de tubería estándar Llena de agua 2 pulgadas de aislamientop g Sin guías
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Un Ejemplo
El análisis modal muestra LNF = 3.28 Hz El análisis modal muestra LNF 3.28 Hz
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Un Ejemplo – Una Guía Agregada
El análisis modal muestra LNF = 4.91 Hz El análisis modal muestra LNF 4.91 Hz
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Un Ejemplo – Dos Guías
El análisis modal muestra LNF = 8.40 Hz El análisis modal muestra LNF 8.40 Hz
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Ejemplo: Descarga de un IntercambiadorIntercambiador
Sistema existente con una historia de problemas de vibración
Sin guías o frenos
LNF 1.2 Hz
Guías y frenos agregados Guías y frenos agregados y LNF aumentó a 3.7 Hz
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Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
Distribución de Masa Distribución de Masa En el ejemplo anterior los nodos extras fueron agregados
por lo que el espacio máximo entre nodos fue menos de 1 pie por pulgada nominal (usando el comando Break)
Las frecuencias naturales de cálculo usan la distribución de “Masa Consistente”de Masa Consistente
Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
Distribución de Masa
Los números pueden ser bajos, pero significativos.
Distribución de Masa Comparemos ese primer modo (fino, consistente) de 3.282
Hz con: Un modelo grueso, valor de masa agrupado de 3.674 Hz Un modelo grueso, valor de masa consistente de 3.560 Hz
grueso
fino
Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
Revisión de distribución de masa Revisión de distribución de masa La distribución gruesa pierde un modo (forma) yBloquea más masa en las restriccionesq
Revisión de la Distribución de Masa
Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
La rigidez del soporte afecta las frecuencias . La rigidez del soporte afecta las frecuencias . ¿Es “rígido”?
Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
La rigidez del soporte afecta a las frecuencias. La rigidez del soporte afecta a las frecuencias.
Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
La fricción puede influir. La fricción puede influir. ¿Este loop es libre para oscilar?
??
Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
La fricción puede influir La fricción puede influir Una revisión a las formas modales puede ayudar.
??
Alcanzando una Respuesta Más RealistaRealista
La fricción puede influir La fricción puede influirMode # Freq (Hz) Mode # Freq (Hz) Mode # Freq (Hz) Mode # Freq (Hz)
1 1.0712 2.202
GuidedFRIC=0 FRIC=100 FRIC=1000
3 5.9054 11.576 1 11.495 1 11.531 1 11.5195 13.846 2 11.992 2 12.122 2 12.112
3 14.053 3 13.9116 14.468 4 14.65 3 14.5667 15.667 5 15.617 4 16.151 4 15.6
5 18.012 5 17.9128 19.572 6 19.227 6 20.362 6 20.0059 21.906 7 21.595 7 22.914 7 21.444
8 22.32510 23 781 9 24 133 8 24 172 8 24 207
?
10 23.781 9 24.133 8 24.172 8 24.20711 25.683 10 25.751 9 25.94 9 25.97512 26.609 11 26.277 10 26.431 10 26.45413 34.306 12 34.347 11 34.375 11 34.379
?
LNF Reglas Aplicadas – Estadísticas
Source: Nigel Marsh of Peak Engineering Ltd.
Conclusiones
El diseño de sistemas de tuberías para cargas térmicas p gy de peso muerto únicamente, ignoran la respuesta dinámica común en sistemas operativos.
Pequeñas cargas cíclicas pueden ocasionar una respuesta significativa cuando una frecuencia natural del sistema coincide con una frecuencia de fuerzadel sistema coincide con una frecuencia de fuerza armónica.
Monitorear la frecuencia fundamental del sistema es una buena herramienta de visualización para evaluar el riesgo de estas cargas ambientales.
Conclusiones
Mantener el primer modo de vibración del sistema –a e e e p e odo de b ac ó de s s e ala frecuencia fundamental – arriba de 5 Hz es una guía útil en el diseño de un nuevo sistema.
Es fácil de aplicar y puede mejorar la confiabilidad del sistema.
Valores más altos p eden ser necesarios en Valores más altos pueden ser necesarios en aplicaciones específicas, por ejemplo: tuberías de compresores (API 618) y sistemas costa afuera.p ( ) y
Estos requisitos deben competir con los límites de tensión térmica en el equipo.
Gracias por Su Atención
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